Впечатление художника от деятельности на Лунной базе. Исследователи из Университета Пенсильвании предложили усовершенствованную конструкцию солнечных батарей на основе 2D-дихалькогенидов переходных металлов (2D TMDC), многообещающее решение для обеспечения энергией космических исследований и поселений благодаря их легким свойствам. Предоставлено: ESA – П. Каррил.
Исследователи из Пенсильванского университета предложили новую конструкцию легких 2D-дхалькогенидов переходных металлов (2D TMDC), которые потенциально могут удвоить их эффективность с 5% до 12%. Эти ячейки, идеально подходящие для применения в космосе из-за их высокой удельной мощности, усилены структурой сверхрешетки, что приводит к повышенному поглощению солнечного излучения. Следующим шагом является разработка метода для крупномасштабного производства.
Когда дело доходит до энергоснабжения для исследования космоса и поселений, общедоступные солнечные элементы из кремния или арсенида галлия все еще слишком тяжелы, чтобы их можно было транспортировать на ракете. Для решения этой проблемы изучается широкий спектр легких альтернатив, в том числе солнечные элементы, изготовленные из тонкого слоя селенида молибдена, которые попадают в более широкую категорию солнечных элементов с 2D-дихалькогенидом переходного металла (2D TMDC). В публикации от 6 июня в первом выпуске журнала Device исследователи предлагают конструкцию устройства, которая может поднять эффективность устройств 2D TMDC с 5%, как уже было продемонстрировано, до 12%.
«Я думаю, что люди постепенно приходят к пониманию того, что 2D TMDC — это отличные фотоэлектрические материалы, хотя и не для наземных приложений, а для мобильных приложений — более гибких, таких как космические приложения», — говорит ведущий автор и член консультативного совета по устройствам Deep . Джаривала из Пенсильванского университета. «Вес солнечных элементов 2D TMDC в 100 раз меньше, чем солнечных элементов на основе кремния или арсенида галлия, поэтому внезапно эти элементы становятся очень привлекательной технологией».
Хотя солнечные элементы 2D TMDC не так эффективны, как кремниевые солнечные элементы, они производят больше электроэнергии на единицу веса — свойство, известное как «удельная мощность». Это связано с тем, что слой толщиной всего 3–5 нанометров — или более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса — поглощает количество солнечного света, сравнимое с имеющимися в продаже солнечными элементами. Из-за их чрезвычайной тонкости они получили ярлык «2D» — они считаются «плоскими», потому что их толщина составляет всего несколько атомов.
Двумерные экситонные солнечные элементы
Насколько хороши могут быть 2D-экситонные солнечные элементы? Предоставлено: Device/Hu et al.
«Высокая удельная мощность на самом деле является одной из величайших целей любой космической технологии сбора света или энергии», — говорит Джаривала. «Это важно не только для спутников или космических станций, но и для реальной солнечной энергии в космосе».
«Количество солнечных элементов, которые вам нужно будет доставить, настолько велико, что никакие космические аппараты в настоящее время не могут доставлять такие материалы экономически выгодным способом. Итак, на самом деле решение состоит в том, что вы удваиваете вес ячеек, которые дают вам гораздо большую удельную мощность».
Полный потенциал 2D солнечных элементов TMDC еще не полностью реализован, поэтому Джаривала и его команда стремились еще больше повысить эффективность элементов. Как правило, производительность солнечных элементов этого типа оптимизируется путем изготовления серии тестовых устройств, но команда Джаривалы считает важным сделать это путем компьютерного моделирования.
Кроме того, команда считает, что для того, чтобы по-настоящему расширить границы эффективности, важно правильно учитывать одну из определяющих и сложных для моделирования характеристик устройства: экситоны.
Экситоны образуются, когда солнечный элемент поглощает солнечный свет, и их доминирующее присутствие является причиной того, что солнечный элемент 2D TMDC имеет такое высокое поглощение солнечного света. Электричество вырабатывается солнечным элементом, когда положительно и отрицательно заряженные компоненты экситона направляются на отдельные электроды.
Смоделировав солнечные элементы таким образом, команда смогла разработать конструкцию с удвоенной эффективностью по сравнению с тем, что уже было продемонстрировано экспериментально.
«Уникальной частью этого устройства является его структура сверхрешетки, что, по сути, означает наличие чередующихся слоев 2D TMDC, разделенных прокладочным или неполупроводниковым слоем», — говорит Джаривала. «Расстояние между слоями позволяет многократно отражать свет внутри клеточной структуры, даже если клеточная структура очень тонкая».
«Мы не ожидали, что настолько тонкие клетки увидят значение 12%. Учитывая, что текущая эффективность составляет менее 5%, я надеюсь, что в следующие 4-5 лет люди действительно смогут продемонстрировать ячейки с эффективностью 10% и выше».
Джаривала говорит, что следующий шаг — подумать о том, как организовать крупномасштабное производство пластин для предлагаемой конструкции. «Прямо сейчас мы собираем эти сверхрешетки, перекладывая отдельные материалы один поверх другого, как листы бумаги. Это как если бы вы отрывали их от одной книги, а затем склеивали вместе, как стопку стикеров», — говорит Джаривала. «Нам нужен способ выращивать эти материалы непосредственно один поверх другого».
Эта работа была поддержана Азиатским управлением аэрокосмических исследований и разработок (AOARD), Управлением научных исследований ВВС (AFOSR), Управлением военно-морских исследований, Университетским исследовательским фондом в Пенсильвании, Фондом Альфреда П. Слоана и Центром. Для студенческих исследовательских стипендий (CURF) в Университете Пенсильвании.
